La croissance démographique mondiale, associée à une augmentation générale du niveau de vie, se traduit par l'explosion des besoins en matières premières et énergie. Afin de relever ce défi, une attention accrue est accordée aux énergies et ressources naturelles renouvelables. Parmi elles, la biomasse est particulièrement prometteuse. Elle présente des avantages certains (abondance, répartition homogène) mais aussi plusieurs inconvénients (faible densité énergétique, humidité élevée,…). Pour surmonter ces difficultés, la torréfaction est la méthode la plus connue, mais elle induit une augmentation des taux de cendres et une perte de matière. La carbonisation hydrothermale (HTC) est une alternative possible. L'objet de cette thèse est l'étude de la HTC comme moyen de bonifier la biomasse lignocellulosique. Trois axes principaux ont été considérés: augmentation de la densité énergétique, récupération de molécules, et minéraux d'intérêt. L'étude porte d'abord sur la HTC de systèmes moléculaires représentatifs de ceux présents dans le bois. Le hêtre a été étudié comme biomasse modèle, permettant de déterminer des conditions expérimentales optimales, appliquées ensuite à diverses biomasses. Enfin d'autres méthodes d'activation ont été testées telles que les micro-ondes et les fluides supercritiques. Les hydrochars obtenus après HTC présentent une diminution concomitante des ratios atomiques H/C et O/C. La phase liquide contient différentes molécules d'intérêt (furfural,…). Enfin, les teneurs en cendres diminuent après HTC du fait d'une lixiviation partielle de certains éléments (alcalins et alcalino-terreux). En conclusion, la HTC semble être une alternative intéressante à la torréfaction ; elle permet la production d'hydrochars avec des teneurs élémentaires adaptées à une utilisation en gazéification et la récupération de molécules et minéraux. L'intérêt et la faisabilité technique ont été démontrés en particulier sur des biomasses humides (plantes agricoles) ou polluées (broyats de déchetterie). / Population growth, coupled with a general increase in standard of living, result in a booming demand for raw material and energy. To face this challenge, an increased attention is paid to the use of renewable energies and natural resources. Among them, biomass is especially promising. Its advantages (abundance, distribution all over the Earth) are balanced by several drawbacks (low energy density, high moisture content,…). To overcome these problems, torrefaction is the most traditional way, but it has some inconveniences (increased ash content, loss of material). Hydrothermal carbonisation (HTC) is a possible alternative. The purpose of this thesis is the study of HTC a means to beneficiate the lignocellulosic biomass. Three main aims were identified: increase of the energy density, recover molecules and minerals of interest. The study initially focused on HTC of molecular model systems present in wood. Beech wood was also studied, as a model biomass. This study allowed determining optimal experimental conditions for treatment of further biomasses. Finally, other activation methods have been tested, such as microwaves, and supercritical fluids. Hydrochars obtained after HTC feature a concomitant decrease of the atomic H/C and O/C ratios. Liquid phase contains different molecules of interest (furfural,…). Finally, ash content decreases after HTC owing to a partial leaching of some elements (alkali and alkaline earth metals). In conclusion, HTC seems to be an interesting alternative to torrefaction as it allows for the production of hydrochars suitable for gasification, and the recovery of molecules and minerals of interest. The interest and technical feasibility have been demonstrated in particular for biomasses with high moisture (agricultural crops) or with high pollutant contents (grounds of waste disposal).

La carbonisation hydrothermale (HTC) est un procédé de conversion en énergie de la biomasse dans l’eau sous critique (180-250°C) à faibles pressions (10-40 bars). Ce procédé conduit à la production d’un matériau solide carboné appelé "hydro-char". L’objectif de ce travail est d’optimiser le procédé HTC par l’étude des performances de l’hydro-char comme source d’énergie. La biomasse étudiée est un résidu d’extraction d’huile d’olive dénommé grignons d’olive constitués de peau, de pulpe et de noyau (taux d’humidité de 70%). Ces grignons d’origine marocaine ont été préalablement séchés (GOS). Au cours de l’HTC, la biomasse est décomposée via des réactions de déshydratation et de décarboxylation. Les hydro-chars sont moins humides et plus riches en carbone que les GOS. Aussi, ils s’appauvrissent en cendres en les transférant dans la phase liquide. Les hydro-chars ont un PCS plus élevé que celui de la tourbe et de lignite. Les résultats montrent que le rendement et les propriétés de l’hydro-char dépendent surtout de la température du procédé. Pour mieux analyser l’effet des conditions opératoires, l’approche des plans d’expériences a été appliquée pour optimiser et modéliser le procédé HTC. Grâce au plan de Doehlert, on peut relier les propriétés de l’hydro-char avec son rendement massique et son comportement thermique de combustion. La représentation des surfaces de réponses a permis de définir les zones de production d’hydro-char avec ses propriétés permettant d’orienter l’élaboration de l’hydro-char pour répondre aux critères d’une application prédéfinie. Le liquide issu de l’HTC des GOS montre une sensibilité à la variation des conditions opératoires. Le carbone soluble dans ce liquide lui donne un pouvoir polluant. Pour le diminuer, deux procédés de traitement ont été testés: l’évaporation et l’oxydation en voie humide. Les résultats ont montré que la quantité d’eau utilisée pour le traitement est le facteur le plus influent sur le bilan énergétique du procédé HTC. / Hydrothermal carbonization (HTC) allows pre-treating humid biomass in subcritical water (180-250°C) and at low pressures (10-40 bars) in the absence of air. This process produces a carbonaceous solid material called "hydro-char". The main aim of this work is to optimize the HTC process by studying the potential of hydro-char to produce energy. The studied biomass is a by-product of the olive oil industry called olive pomace containing water, residual oil, olive skin, olive pulp, and olive stones (with 70% moisture content). The moroccan olive pomace was first air-dried (DOP) and characterized. During the HTC process, the biomass is decomposed via dehydration and decarboxylation reactions. The obtained hydro-char has much less moisture and higher carbon contents than that of untreated DOP. Also, the hydro-char becomes poor in ashes by transferring them into the liquid phase. Hydro-chars have a higher HHV than that of peat and lignite. The results show that hydro-char mass yield and its properties depend on the process temperature especially. For a better analysis of the effect of operating conditions, a Design of Experiments Response Surface Methodology (DoE/RSM) approach was applied to optimize the HTC process. The DoE/RSM allows identifying a relationship between hydro-char properties and its mass yield and thermal combustion behavior. Response-surface plots show defined areas of production of hydro-char which allows tailoring hydro-char elaboration to a specific application. The process liquid from the HTC treatment of DOP shows a sensibility to operating conditions. The soluble carbon in the HTC liquid increases its polluting power and to decrease it two treatment process have been tested: evaporation and wet oxidation. Finally, the results show that the amount of water used for the hydrothermal treatment is the most influential factor on the energy balance of the HTC process.

La carbonisation hydrothermale transforme les déchets municipaux (copeaux de bois, boues d'épuration, bagasse, feuilles…) en un produit solide appelé bio-charbon. Le produit hydrothermal connu sous le nom hydrochar est fréquemment utilisé comme carburant ou engrais, mais aussi il pourrait être converti en un produit à haute valeur ajoutée, à savoir le charbon actif. L‘objectif principal de cette thèse est d‘étudier la transformation de grignon d‘olive, précurseur lignocellulosique largement disponible en Tunisie et en pays méditerranéen, en hydrochar et en charbon actif. Dans cette étude, un réacteur discontinu de laboratoire a été conçu et construit. Les grignons d‘olive transformés en hydrochar ont été préparés à différentes sévérités et avec addition de sels, acide et ammoniac. Les hydrochars ont été caractérisés par plusieurs méthodes d‘analyse. L‘eau de traitement de la carbonisation hydrothermale a été analysée et les résultats montrent qu‘elle contient des composants à haute valeur ajoutée comme le furfural et le 5-HMF. Les charbons actifs ont été préparés à partir du hydrochar suivant des voies d‘activation physique (à l‘aide de l‘agent d‘activation CO2) et voies d‘activation chimique (par l‘agent d‘activation KOH). Les matériaux obtenus ont une surface spécifique élevée (1400 m2g-1) et aussi une chimie de surface riche en groupe fonctionnel. Les performances de ces charbons actifs dans l‘adsorption de molécules pharmaceutiques en phase liquide et de l‘hydrogène en phase gazeuse ont été examinées. Des capacités intéressantes ont été relevées pour les deux applications / Hydrothermal carbonization process uses green waste from municipalities (Wood chips, sewage sludge, bagasse, leaves …) to produce solid bio-coal. The solid HTC product known as hydrochar commonly used as a fuel or fertilizer but it could be converted also into high- value products like activated carbon. The principal purpose of this thesis is to study the conversion of olive stones, widely available lignocellulosic biomass in Tunisia and Mediterranean country, into hydrochar and then activated carbon. In this study, a laboratory scale batch reactor has been designed and built. The hydrothermally carbonized olive stones were prepared at different reaction severity and with addition of salts, acid or ammonia. All prepared hydrochar are characterized by different analysis methods. The HTC water was also analyzed and the results show that HTC-liquid contains high added value components such as furfural and 5-HMF. The hydrothermally carbonized olive stones were activated by both physical activation, using CO2 and chemical activation, using KOH. The materials had high surface area (as high as 1400 m2 g-1) and rich surface chemistry. The potential for pharmaceuticals (Ibuprofen and Metronidazole) and hydrogen adsorption were assessed for HTC-activated carbon and they showed good performance in both application

Les ressources renouvelables sont considérées comme des alternatives durables, et parfois moins chères, aux matières premières d'origine pétrochimique. Dans cette thèse, on a utilisé du tanin provenant d’écorces de Mimosa comme précurseur de matériaux carbonés. La synthèse de ces nouveaux matériaux carbonés comprend un processus en deux étapes: la première étape est un traitement hydrothermal à des températures modérées, de 180 à 200°C, ce qui permet l'enrichissement en carbone ainsi que la fixation des hétéroatomes et la production de différentes morphologies: microsphères ou gels. La deuxième étape est une carbonisation à une température plus élevée, à savoir 900°C, ce qui permet d'augmenter la surface spécifique, la porosité ainsi que la conductivité électrique. La préparation d’un carbone poreux présentant des mésopores parfaitement définis en taille et dans leur organisation a été réalisée en associant le tanin, précurseur de carbone, à un tensio-actif structurant de la porosité, le copolymère Pluronic F127. Ces nouveaux matériaux carbonés ont été testés comme des électrodes de supercondensateur / Renewable resources are considered as sustainable, and sometimes cheaper, alternatives to substitute raw materials of petrochemical origin. We used tannins extracted from Mimosa barks. Tannin is an attractive precursor to synthesize new organic porous materials due to the presence of highly reactive phenolic molecules. The synthesis of these new carbon materials from tannin comprises a two-step process: the first step is a hydrothermal carbonization at moderate temperatures, 180-200°C, which allows obtaining a hydrochar, richer in carbon, and fixing other heteroatoms. These hydrochars present different morphologies as powder or gel. The second step is a carbonization at higher temperature (900°C), which allows increasing surface area (SBET), porosity as well as improving conductivity. The preparation of a porous carbon presenting mesopores perfectly defined in size and in their organization was realized by associating tannin, as carbon precursor, with a surfactant for porosity templating, the copolymer Pluronic F127. These new carbon materials were tested as electrodes of supercapacitor